universidade tecnolÓgica federal do paranÁ...
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
LUANA MARTINS DE CARVALHO
PROSPECÇÃO DE NOVOS MATERIAIS PARA MOLAS DE
SUSPENSÃO AUTOMOTIVA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
LONDRINA
2015
UTFPR
COEMA
2015
Pro
specçã
o d
e no
vo
s materia
is para
mola
s de su
spen
são a
uto
motiv
a
LUANA MARTINS DE CARVALHO
PROSPECÇÃO DE NOVOS MATERIAIS PARA MOLAS DE
SUSPENSÃO AUTOMOTIVA
Trabalho de conclusão de curso em Engenharia de
Materiais da Universidade Tecnológica Federal do
Paraná como requisito parcial para obtenção da
aprovação na matéria de Trabalho de conclusão de
curso 2.
Orientador: Prof. Dr. Márcio Andreato
LONDRINA
2015
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Londrina
Programa de Graduação
Termo de aprovação
Luana Martins de Carvalho
Prospecção de novos materiais para molas de suspensão automotiva
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de Engenharia de Materiais da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, campus Londrina, como parte dos requisitos para
a conclusão do curso.
Aprovado em:
BANCA EXAMINADORA
----------------------------------------------------------------------------------------------
Prof. Dr. Amadeu Lombardi Neto
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
----------------------------------------------------------------------------------------------
Prof. Dr. Fabiano Moreno Peres
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
----------------------------------------------------------------------------------------------
Prof. Dr. Marcio Andreato Mendes
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
AGRADECIMENTOS
Primeiramente а Deus que permitiu quе tudo isso acontecesse ао longo deste tempo;
À Universidade, sеu corpo docente, direção е administração quе oportunizaram а
janela quе hoje vislumbro um horizonte superior;
Agradeço а todos оs professores pоr mе proporcionarem о conhecimento nãо apenas
racional, mаs а manifestação dо caráter е afetividade dа educação nо processo dе formação
profissional, pоr tanto que sе dedicaram а mim, nãо somente pоr terem mе ensinado, mаs por
terem mе feito aprender.
Meus agradecimentos principalmente aos meus pais, que em todo tempo estiveram
presentes me apoiando e me motivando, aos meus irmãos e amigos qυе fizeram parte dessa
etapa da minha vida.
A todos quе direta ou indiretamente fizeram parte dа minha formação, о meu muito
obrigado.
“Que a sua felicidade esteja no Senhor! Ele lhe
dará o que o seu coração deseja Ponha a sua
vida nas mãos do Senhor, Confie nele, e ele o
ajudará”.
Salmos 37: 4-5
RESUMO
CARVALHO, Luana. Prospecção de novos materiais para molas de suspensão automotiva.
2015. 78 f. Trabalho de conclusão de curso – Programa de Graduação em Bacharelado,
Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Londrina, 2015.
Por conta da revolução tecnológica, e da demanda do mercado atual, é de grande importância
estar sempre a um passo à frente com as inovações tecnológicas. Porém, além do interesse dos
avanços, é necessária a preocupação com os custos originados durante a fabricação do produto
para ser colocado no mercado. Dessa maneira, nesse trabalho será abordada uma forma de
inovação nos materiais utilizados para a fabricação de molas de suspensão automotiva,
propondo a substituição desses materiais por novos materiais, que forneçam as propriedades e
características exigidas por essas molas, sem inflacionar o custo do desenvolvimento. Utilizou-
se como recurso metodológico, a pesquisa bibliográfica, na qual propôs métodos para o
desenvolvimento do projeto e escolha de um material para a substituição do aço mola para a
fabricação de molas helicoidais para suspensão automotiva. E o material que se apresentou mais
adequado para essa aplicabilidade foi o Compósito de matriz Epóxi e Fibra de carbono
longitudinal. Entretanto, por questões de custos seria melhor aplicado em carros de alto
desempenho.
Palavras-chave: Inovação. Novos Materiais. Molas.
ABSTRACT
CARVALHO, Luana. Prospecção de novos materiais para molas de suspensão automotiva.
2015. 78 f. Trabalho de conclusão de curso – Programa de Graduação em Bacharelado,
Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Londrina, 2015.
Because of the technological revolution and current market demands, it is of great importance
to be always one step ahead with technological innovations. But besides the technological
advancements, the rising costs of fabrication the market of such products is always a concern.
Thus, this paper is discussed a way of innovation in materials used for the manufacture of
automotive suspension springs, suggesting the substitution of these materials for new materials
that provide the properties and characteristics required by these springs. Therefore, also taking
into account the cost of developing these products. It was used as a methodological resource,
the literature, which proposed methods for the development of design and choice of material
for the spring steel replacement for the manufacture of coil springs for automotive suspension.
And the material that appeared more suitable for such applicability was the matrix composite
epoxy and carbon fiber longitudinal. However, for cost reasons would be better applied in high-
performance cars.
Keywords: Innovation. New Materials. Springs.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Componentes de suspensão de um veículo .................................................... 15
Figura 2 - Suspensão de quatro barras utilizadas atualmente em carro de passageiros de grande
porte com eixos traseiros rígidos .................................................................................... 16
Figura 3 - Componentes de uma suspensão traseira com molas semielípticas .............. 16
Figura 4 - Suspensão dianteira do tipo MacPherson ...................................................... 17
Figura 5 - Componentes da parte superior de uma suspensão dianteira do tipo MacPherson
........................................................................................................................................ 17
Figura 6: Representação de uma Mola helicoidal de tração. Fonte: Molas de qualidade. (a)
Representação de mola helicoidal de tração real, (b) representação de esquemática de uma mola
helicoidal de tração ......................................................................................................... 19
Figura 7 - Representação de uma Mola helicoidal de compressão. (a) Representação de mola
helicoidal de compressão real, (b) representação de esquemática de uma mola helicoidal de
compressão ..................................................................................................................... 20
Figura 8 - Representação de uma Mola helicoidal de torção. (a) Representação de mola
helicoidal de torção real, (b) representação de esquemática de uma mola helicoidal de torção
........................................................................................................................................ 21
Figura 9 - Comparação do comportamento mecânico de um aço mola e um aço estrutural
........................................................................................................................................ 22
Figura 10 - Diagrama esquemático da mola helicoidal cilíndrica com uma secção transversal
quadrada.......................................................................................................................... 24
Figura 11 - Mola helicoidal produzida com material compósito ................................... 28
Figura 12: (a) CHEVROLET CORVETTE Z06 2015; (b) Feixe de molas de material compósito
utilizada no CORVETTE Z06. ....................................................................................... 29
Figura 13 - Estratégia de seleção de materiais ............................................................... 31
Figura 14 - Obtenção da matéria prima até processo de fabricação do componente, o que estará
relacionado aos custos e impactos ambientais gerados .................................................. 33
Figura 15 - Diagrama de Seleção de Materiais, Módulo de Young, E, em relação à Densidade
........................................................................................................................................ 36
Figura 16 - Diagrama de Seleção de Materiais, Módulo de Young, E, em relação ao custo
relativo, Cv,R .................................................................................................................. 37
Figura 17 - Materiais para molas. Aço de alta resistência, CFRP, e certos polímeros e
elastômeros são a melhor escolha para as molas ............................................................ 38
Figura 18 - Modelo simplificado de ¼ de um veículo ................................................... 40
Figura 19 - Esforço atuantes em uma solicitação de compressão .................................. 41
Figura 20 - Esforços atuantes na mola: (a) Torção pura; (b) Cisalhamento; (c) Torção +
Cisalhamento; e (d) Efeitos de concentração na borda interna ...................................... 42
Figura 21 - Molas Helicoidais de compressão utilizadas para aplicação em suspensão
automotiva, fabricadas pela a empresa RNA Fabrini. .................................................... 42
Figura 22 - Mola quando sofre aplicação de carga ......................................................... 46
Figura 23 - Tipos de extremidades em molas helicoidais .............................................. 47
Figura 24 - Curva S-N típica do ensaio de fadiga .......................................................... 51
Figura 25: ângulo de enrolamento do fio com o valor máximo do ângulo é 12° ........... 54
Figura 26 - Curva de Deflexão pelo Módulo elástico, levando em consideração o valor do
coeficiente Poisson de 0,25, para materiais isotrópicos ................................................. 55
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Materiais utilizados para a fabricação de molas. ........................................... 26
Tabela 2 - Função, restrições, objetivos e variáveis livres, a serem consideradas do componente
projetado. ........................................................................................................................ 31
Tabela 3 - Requisitos do projeto para molas. ................................................................. 33
Tabela 4 - Equações para cada tipo de extremidade. ...................................................... 47
Tabela 5 - Constante α para cada tipo de extremidade. .................................................. 49
Tabela 6 – Resultados do ensaio de fadiga de molas processadas a quente....................52
Tabela 7 - Resultados do ensaio de fadiga de molas processadas a quente ....................56
Tabela 8 - Resultados do ensaio de fadiga de molas processadas a frio..........................56
Tabela 9 - Comparação entre as propriedades apresentadas pelo Aço Mola (9254) e o material
escolhido...........................................................................................................................57
LISTA DE SÍMBOLOS
F Força aplicada
m Massa
g Gravidade
τ Tensão de carregamento dinâmico
σt Tensão de tração
σc Tensão Torcional
Kw Fator Wahl
C Índice de curvatura do fio
D Diâmetro externo da Mola
d Diâmetro do fio
δ Deflexão da mola
k Constante Elástica
ɛ Deformação do material
ɛa Deformação longitudinal
ɛt Deformação transversal
G Módulo de Cisalhamento
E Módulo Elástico
μ Coeficiente Poisson
Na Número de espiras ativas
Nt Número de espiras totais
Lo Comprimento livre da mola
Ls Comprimento sólido da mola
α Coeficiente
fn Frequência Natural
ρ Densidade
τMÍN Tensão máxima
τMÁX Tensão mínima
λ ângulo
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 12
1.1 Objetivos ................................................................................................................... 13
1.1.1 Objetivo geral ........................................................................................................ 13
1.1.2 Objetivos específicos ............................................................................................. 13
1.2 Motivação e justificativa .......................................................................................... 13
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................. 14
2.1 Sistema de suspensão ............................................................................................... 14
2.1.1 Funcionamento do sistema de suspensão .............................................................. 14
2.2 Molas ........................................................................................................................ 18
2.2.1 Molas de tração ...................................................................................................... 19
2.2.2 Molas de compressão ........................................................................................ 20
2.2.3 Molas de torção .................................................................................................. 20
2.3 Propriedades ............................................................................................................. 21
2.4 Materiais utilizados .................................................................................................. 24
2.4.1 Aços para construção mecânica ............................................................................. 24
2.4.2 Materiais compósitos ............................................................................................. 26
2.5 Causas de falhas ....................................................................................................... 29
2.5.1 Fadiga.....................................................................................................................29
2.6 Seleção de Materiais ................................................................................................. 30
2.6.1 Considerações econômicas .................................................................................... 32
2.6.2 Considerações ambientais e sociais ....................................................................... 32
2.7 Considerações do projeto ......................................................................................... 33
2.7.1 Fatores que influenciam no projeto ....................................................................... 34
2.7.2 Classificação dos materiais .................................................................................... 34
3 METODOLOGIA ...................................................................................................... 40
4 RESULTADOS .......................................................................................................... 52
4.1 Método I do cálculo da deflexao .............................................................................. 53
4.2 Método II do cálculo da deflexao ............................................................................ 54
5. CONCLUSÃO ........................................................................................................... 59
6. REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 60
7.ANEXOS .................................................................................................................... 63
7.1 ANEXO A ................................................................................................................ 63
7.2 ANEXO B: Considerações da densidade dos materiais ........................................... 66
7.3 ANEXO C: Considerações de propriedades mecânicas do materiais ...................... 67
7.4 ANEXO D: Considerações do custo relativo ........................................................... 71
7.5 ANEXO E: Considerações da forma do componente .............................................. 74
7.6 ANEXO F: Considerações do processo de fabricação ............................................. 75
7.7 ANEXO G: Considerações de reciclagem................................................................ 77
12
1. INTRODUÇÃO
Diante das exigências do mercado e dos atuais estágios de desenvolvimento
tecnológico e econômico impostos às empresas, considerando os elevados níveis de
competitividade industrial que caracterizam o mundo atual, um fator de grande relevância para
o sucesso de novos projetos de produtos e das próprias empresas, é a questão da inovação
tecnológica.
As inovações podem ser tratadas de diferentes formas, bem como impactos distintos
sobre produtos e sistemas de produção, podendo ser incrementais e radicais. As inovações
incrementais estão relacionadas com a melhoria do produto ou dos processos para a sua
obtenção, onde sua performance tenha sido plenamente satisfatória, seja através do
aperfeiçoamento de uma tecnologia já existente ou de um novo design. Já as inovações radicais
incluem o desenvolvimento de novos produtos ou processos, que apresentam melhoria
significativa em relação aos existentes (NAVEIRO e GOUVINHAS, 2011).
Neste trabalho será abordada a prospecção de novos materiais para molas de suspensão
automotiva como uma nova alternativa para essa aplicação, ou seja, do ponto de vista de
inovação tecnológico, será proposta uma inovação incremental. Para a efetivação da proposta
serão levados em consideração fatores como: qualidade, comportamento mecânico, custo e
disponibilidade do produto proposto no mercado. Esses fatores visam que as molas de
suspensão automotiva gerem conforto, estabilidade e uma boa dirigibilidade ao condutor, sem
que se sintam os impactos das imperfeições do solo com os pneus.
Ao longo das últimas três décadas, esforços consideráveis foram feitos no
desenvolvimento de aços para molas de alto desempenho para atender às necessidades de peso
e redução de custos na indústria automotiva (CHOI, 2011).
A redução de peso é importante de modo a reduzir a quantidade de consumo de
combustível, o que pode ser conseguido em parte por meio da melhoria de molas de suspensão.
Atualmente esse é um fator bastante importante, do ponto de vista ambiental e econômico, pois
o consumo de combustível gera impactos ambientais, como, por exemplo, a extração de
matérias-primas não renováveis e a geração e emissão de gases carbônicos na atmosfera,
afetando a qualidade do ar.
Já a questão econômica é afetada pelos gastos originados com o consumo do
combustível. No entanto, essa melhoria não deve degradar outras propriedades, como o limite
elástico, a resistência à fadiga e não afetar a formabilidade do componente, que são essenciais
para o bom funcionamento da mola.
13
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo geral
Propor um material com melhor desempenho para a fabricação de molas de suspensão
automotiva, focando na redução do custo, peso e desgaste, sem perdas significativas de
propriedades mecânicas frente às atuais molas utilizadas no mercado e que, também, seja
relativamente fácil de ser fabricada.
1.1.2 Objetivos específicos
Identificar os materiais tradicionalmente utilizados na fabricação das molas;
Analisar as propriedades mecânicas e características de molas utilizadas em
suspensão automotiva;
Propor novos materiais para a fabricação de molas;
Averiguar as propriedades mecânicas frente às das molas comerciais.
1.2 Motivação e Justificativa
Com o passar do tempo e com as condições de uso do automóvel ocorre um desgaste
constante no sistema integrado de suspensão, sendo necessária muitas vezes a sua troca.
Um dos elementos principais que faz parte do sistema de suspensão é a mola
helicoidal, que pode vir a falhar por diversos motivos, dentre eles, o principal, por fadiga. De
forma geral, esse mecanismo de ruptura se inicia a partir de descontinuidades do componente,
que são influenciadas pelo processamento, pelas propriedades e pelas condições de uso da mola.
Há uma preocupação também com o peso do componente, que está relacionado com o consumo
de energia e com o custo de fabricação do produto final e desempenho da suspensão.
Visando contornar esses problemas, a procura de novos materiais para a fabricação
dessas molas com os requisitos e propriedades exigidos é contínua pelos fabricantes. Foram
esses motivos que despertaram a concepção desse estudo, no sentido de contribuir com os
esforços que vêm sendo realizados no aperfeiçoamento desses componentes, aplicando
conhecimentos da Engenharia e da Ciência de Materiais adquiridos durante o curso.
14
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O sistema de suspensão automotiva é utilizado para proporcionar conforto aos
ocupantes do veículo, proteção dos sistemas mecânicos e maximizar o contato do pneu no solo.
Ele é necessário devido às irregularidades encontradas no solo durante o trajeto. Esse sistema
de suspensão é integrado por molas helicoidais e amortecedor entre outros componentes. O
primeiro consiste na resistência elástica a uma carga e o segundo na capacidade de absorver
parte da energia de uma mola após esta ter sido comprimida.
2.1 Sistema de Suspensão
O sistema de suspensão automotiva é constituído por alguns componentes, sendo eles:
Mola - responsável pela suavização dos movimentos verticais devido às
irregularidades do solo, garantindo o conforto dos ocupantes;
Amortecedor - responsável pela dissipação de energia, armazenada pelas
molas;
Barra estabilizadora - responsável por estabilizar o chassi em uma curva,
evitando que ele gire, e assim diminuindo o risco de capotamento.
Pinos esféricos - fazem ligação entre as partes suspensas (chassi e carroceria)
e as partes não suspensas (cubo de roda manga de eixo e telescópio)
Bandeja - controla o posicionamento das molas e amortecedores, permitindo a
articulação das rodas na suspensão.
2.1.1 Funcionamento do sistema de suspensão
O sistema de suspensão pode ser dividido em dois grupos: sistema dependente (eixos
rígidos) e independente. No sistema dependente, o movimento vertical de uma roda implica no
movimento vertical da outra que se encontra no mesmo eixo. Já no sistema independente, os
movimentos verticais das rodas são independentes.
Na Figura 1 é possível ver de forma detalhada o sistema de suspensão automotiva e
seus componentes.
15
Figura 1 - Componentes de suspensão de um veículo
Fonte: HATTORI (2002, p. 15).
2.1.1.1 Sistema dependente
É um sistema caracterizado por um eixo rígido transversal unindo as rodas traseiras ou
dianteiras. Existem dois tipos de suspensão dependente: com feixe de molas e com molas
helicoidais.
A suspensão dependente de feixe de molas é pouca utilizada em veículos de passeio
por conta da falta de conforto, sendo direcionado o seu uso para veículos pesados. Já a
suspensão dependente de molas helicoidais proporciona um maior conforto, são mais leves e
ocupam um menor espaço (GILLESPIE, 1992).
Em geral, o sistema dependente tem como vantagem a simplicidade na construção e
baixo custo, sendo utilizada em veículos comerciais.
As Figuras 2 e 3 mostram os dois tipos de sistema de suspensão de eixo rígido
utilizando molas helicoidais e feixe molas, respectivamente.
16
Figura 2 - Suspensão de quatro barras utilizadas atualmente em carro de passageiros de grande porte com
eixos traseiros rígidos
Fonte: Freitas Júnior (2006).
Figura 3 - Componentes de uma suspensão traseira com molas semielípticas
Fonte: Freitas Júnior (2006).
2.1.1.2 Sistema de Suspensões independentes
Diferente do eixo rígido, essa suspensão promove maior rigidez a rolagem
relativamente à rigidez vertical. Existem vários tipos de suspensão independente: feixe de
molas, barra de torção, feixe de torção, hidropeneumática e MacPherson.
A suspensão MacPherson é atualmente uma das mais utilizadas na dianteira de
veículos de passeio de pequeno e médio porte, com tração dianteira. A suspensão MacPherson
é um tipo de suspensão automotiva com maior altura, contendo molas helicoidais e
amortecedores telescópicos. Esse tipo de suspensão é empregado em cerca de 70% das
suspensões dianteiras dos veículos populares (FREITAS JÚNIOR, 2006).
17
A fixação superior do amortecedor é feita direto na carroceria ou chassi. O
amortecedor além de gerar carga axial de sentido contrário ao da velocidade de oscilação da
roda, passa a suportar cargas laterais e longitudinais. A fixação inferior do amortecedor é feita
direto na manga de eixo. Esse sistema de suspensão tem como vantagem o baixo custo, o arranjo
compacto, a facilidade de montagem e o espaço livre para o motor quando montado na posição
transversal (FREITAS JÚNIOR, 2006). As Figuras 4 e 5 mostram a suspensão dianteira do tipo
MacPherson e os componentes da parte superior da mesma.
Figura 4 - Suspensão dianteira do tipo MacPherson
Fonte: Freitas Júnior (2006).
Figura 5 - Componentes da parte superior de uma suspensão dianteira do tipo MacPherson
Fonte: Freitas Júnior (2006).
18
2.2 Molas
Molas são elementos mecânicos que exercem forças ou torques por meio da absorção
e liberação de energia, durante o seu funcionamento. Algum mecanismo fornece ou
disponibiliza energia que é então absorvida pela mola, armazenada e posteriormente liberada
(MARGHITU, 2005), ou seja, a função primordial de uma mola é armazenar energia elástica
e, quando necessário, liberá-la novamente (ASHBY, 2012).
Independente do seu formato ou tipo, molas são elementos mecânicos elásticos; isto
significa que, segundo os conceitos clássicos da resistência dos materiais, são componentes que
trabalham sempre dentro da zona elástica determinada pela Lei de Hooke que afirma que a
deformação é proporcional à tensão. Numa descrição simplificada, as molas armazenam energia
e a devolvem sem se deformarem plasticamente (MOLAS HOESCH, 2015).
Não se sabe quando a primeira mola foi produzida; no entanto, é muito provável que
era um arco. O arco foi usado para armazenar energia que poderia ser lançado em um momento
preciso, sob o comando do arqueiro. O primeiro estudo formal dos membros flexíveis foi feita
por Robert Hooke em 1678. Partindo desse estudo, foi formulada a famosa lei de Hooke, que
afirma que "deflexão é proporcional à carga", sendo ainda a base para o projeto da mola
(DESIGN HANDBOOK – ENGINEERING GUIDE TO SPRING DESIGN, 1987).
As molas utilizadas normalmente são feitas de metal, mas pode-se substituir o metal
por materiais plásticos, quando as cargas atuantes nas molas forem mais leves, pois, apesar de
menos resistentes, o custo é menor, embora não é aplicado em suspensão automotiva. Outra
possibilidade é a substituição por materiais compósitos estruturais quando for necessária uma
massa mínima, assim como em polímeros, visto que são materiais mais leves e podem possuir
as mesmas propriedades de interesse que os materiais metálicos, fatores que dependem apenas
do processamento e dos materiais escolhidos para a obtenção do compósito.
As condições de serviços das molas são muitas vezes severas, quer pelas cargas e tipos
de esforços que irão suportar, quer pelas temperaturas, meios corrosivos, vibração etc., a que
podem estar sujeitas. De modo geral, há dois tipos de molas: 1) molas helicoidais, também
denominadas de espiral, sendo fabricadas a partir de barras e fios; e 2) molas planas, sendo
fabricadas a partir de tiras de aço (MARGHITU, 2005).
As molas planas são empregadas somente para algumas cargas, onde é fixa numa
extremidade e livre na outra, e, quando sofre a ação de uma força, a mola é flexionada em
direção oposta (SHIGLEY, MISCHKE e BUDYNAS, 2005). Elas podem ser classificadas em:
simples, prato, feixe de molas e espiral.
19
Há também as molas helicoidais, que são as mais utilizadas em mecânica e aplicadas
no amortecimento automotivo, sendo essa aplicação o foco do presente trabalho e, portanto,
será dado maior destaque a este tipo. Esse tipo de molas pode ser subdividido em:
Molas de tração;
Molas de compressão;
Molas de torção (MARGHITU, 2005).
2.2.1 Molas de tração
Molas de tração possuem ganchos nas extremidades, além das espiras. Para a mola
helicoidal de tração desempenhar sua função, ela deve ser esticada, aumentando seu
comprimento. Quando não tensionada, em seu estado de repouso, ela volta ao seu comprimento
normal (MDQ, 2015). A figura 6 representa uma mola helicoidal de tração.
L0: Altura Livre
Lk: Comprimento do corpo da mola
De: Diâmetro externo
Dm: Diâmetro médio
Di: Diâmetro interno
S: Deslocamento da mola quando sofre
a aplicação de determinada carga (P)
para tração
L: Altura da mola na carga determinada
(a) (b)
Figura 6: Representação de uma Mola helicoidal de tração. Fonte: Molas de qualidade. (a)
Representação de mola helicoidal de tração real, (b) representação de esquemática de uma mola
helicoidal de tração
Fonte: MDQ (2015).
20
2.2.2 Molas de compressão
Molas de compressão são formadas por espiras e são empregadas em suspensão
automotiva. Quando esta mola é comprimida por alguma força, o espaço entre as espiras
diminui, tornando menor o seu comprimento. Após a carga ser aliviada, a mola deverá voltar a
sua altura original (MDQ, 2015). A figura 7 representa uma mola helicoidal de compressão.
L0: Altura Livre;
Lk: Comprimento do corpo da
mola;
De: Diâmetro externo;
Dm: Diâmetro médio;
Di: Diâmetro interno;
S: Deslocamento da mola
quando sofre a aplicação de
determinada carga (P) para
tração;
c: Constante elástica (Kg/m);
L: Altura da mola na carga
determinada (P);
Lbl: Altura obtida na compressão
total da mola. (a) (b)
Figura 7 - Representação de uma Mola helicoidal de compressão. (a) Representação de mola
helicoidal de compressão real, (b) representação de esquemática de uma mola helicoidal de
compressão
Fonte: MDQ (2015).
2.2.3 Molas de torção
Molas de torção sofrem forças que atuam perpendicular ao seu eixo, enquanto que nas
molas de tração e de compressão a força segue a mesma direção do eixo (MDQ, 2015). Na
figura 8 está representada uma mola helicoidal de torção.
21
De: Diâmetro externo;
Dm: Diâmetro médio;
Di: Diâmetro interno;
c: Constante elástica (Kg/m);
Lk0:Altura (comprimento) do corpo
da mola em repouso.
(a) (b)
Figura 8 - Representação de uma Mola helicoidal de torção. (a) Representação de mola helicoidal
de torção real, (b) representação de esquemática de uma mola helicoidal de torção
Fonte: MDQ (2015).
Em outras palavras, as molas de tração e compressão trabalham sob torção e as molas
de torção trabalham sob dobramento.
2.3 Propriedades
Do ponto de vista físico, exige-se que materiais para uma mola tenha as seguintes
características mecânicas:
Altos valores para limites de elasticidade ou proporcionalidade sob tensão ou
para limite de proporcionalidade sob torção, para que possa suportar apreciáveis cargas sem
apresentar deformação permanente;
Baixa constante elástica, para propiciar deformações elásticas apreciáveis;
Elevada vida em fadiga;
Elevada resistência ao choque.
O principal fator a ser considerado na concepção de uma mola é a energia de
deformação de um material utilizada. Energia de deformação específica no material pode
geralmente ser expressa como:
Eq.(1)
22
A Equação (1) indica que um material com menor módulo de Young (E) ou densidade
(ρ) terá energia de deformação específica (deformação por unidade de comprimento) mais
elevada sob a mesma tensão (σ).
A Figura 9 ilustra o comportamento mecânico de um aço, e a comparação de um aço
estrutural e aço mola, que é usado para a fabricação de molas, respectivamente, através de
curvas de tensão versus deformação.
Figura 9 - Comparação do comportamento mecânico de um aço mola e um aço estrutural
Fonte: COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS, (GUIA..., p. 64).
Na figura acima, observa-se o comportamento elástico dos aços, comparando o
comportamento elástico do aço mola e do aço estrutural. São observadas duas regiões distintas
tratando-se do comportamento mecânico, onde a elástica é definida pela tensão e deformação
específica de escoamento do material, e a região plástica, definida a partir do fim da região
elástica (A) até a ruptura do material. O comportamento mecânico do material durante o
desenvolvimento das tensões num regime elástico permite o retorno do material à sua forma e
dimensões originais, quando da ausência de carga aplicada. Já na região plástica, este
comportamento não ocorre, e o material, depois de aliviado de suas tensões, permanece com
deformações residuais importantes. A região plástica, por sua vez, pode estar dividida em três
regiões bem diferenciadas: uma região caracterizada por um patamar de escoamento, onde as
deformações se processam sem incremento das tensões (não representada); uma região de
endurecimento do material (B); e uma região caracterizada por um estrangulamento localizado
ou estricção da seção transversal do material, principalmente após a ocorrência de uma tensão
23
máxima, ou última, (C). Nota-se que a região elástica do aço mola é maior (D), podendo afirmar
que o regime elástico permite o retorno do material à sua forma e dimensões originais, quando
se tem a ausência de carga aplicada. Concluindo que, por conta de seu comportamento elástico,
e por se ter características exigidas para a fabricação de uma mola, o aço utilizado foi
denominado aço mola.
Quando uma mola helicoidal cilíndrica com uma seção transversal retangular está sob
a ação de uma força de compressão aplicada P, a força de reação sobre a mola é de torção e,
portanto, induz tensões de corte sobre a seção transversal. Para materiais homogêneos e
isotrópicos, tanto a constante da mola, K, e a tensão de cisalhamento induzida sob torção, τ,
para a mola pode ser aproximadamente como descritas pelas equações abaixo (CHIU et al.,
2005):
Eq.(2)
Eq. (3)
A Figura 10 indica os fatores citados nas equações (2) e (3), sendo que P é a carga
aplicada na mola (kgf); D, o diâmetro médio da bobina (mm); L, o comprimento livre (mm); α,
o ângulo helicoidal (°); δ, a deflexão (mm); G, o módulo de rigidez ao cisalhamento (kgf /
mm 2); n, o número de espiras ativas da mola, a, o comprimento lateral de secção transversal
quadrada (mm) e c é D/a.
24
Figura 10 - Diagrama esquemático da mola helicoidal cilíndrica com uma secção transversal quadrada
Pode ser observada a partir da Equação (3) que a grandeza da constante de mola da
mola helicoidal cilíndrica com uma seção transversal retangular está relacionada com o
diâmetro médio da bobina (espiral), o número de enrolamentos ativos, e o comprimento lateral
de secção transversal quadrada, assim como o módulo de rigidez do material utilizado (CHIU
et al., 2005).
2.4 Materiais utilizados na fabricação de molas
2.4.1 Aços para construção mecânica
Atualmente, em molas de suspensão automotiva comerciais são utilizados materiais
metálicos no processo de fabricação, classificados como aços para construção mecânica, e os
denominados aços molas.
Os aços para construção mecânica (aços-liga) contêm carbono até 0,5% e outros
elementos de liga, de forma a melhorar suas características de resistência mecânica. Os aços
para construção mecânica podem ser classificados pela sua composição química, pelo
tratamento térmico a ser submetido e pela aplicação final dos produtos. Os principais tipos de
aços são: microligados; para tratamento térmico; para forjados; para molas: para porcas e
parafusos; e aqueles para rolamentos.
Os aços-carbono, com o teor de carbono variando 0,50-1,20%, satisfazem quase todos
os requisitos exigidos das molas; porém, há aplicações que exigem aços-liga. Contudo, a
escolha do material vai depender das aplicações, propriedades requeridas, custo e técnica de
fabricação. Os aços-ligas apresentam melhores propriedades de fadiga e limites elásticos mais
25
elevados do que aços-carbono, sendo preferidos em determinadas aplicações; em contrapartida,
são sujeitos a mais imperfeições durante seu processo de fabricação (CHIAVERINI, 1996).
Os processos de trabalho a quente e a frio são usados para fabricação de molas,
dependendo do tamanho do material e das propriedades desejadas. O enrolamento da mola
induz tensões residuais por flexão, mas estas são normais à direção das tensões de torção de
trabalho em uma mola de espiras. Muito frequentemente na manufatura de mola, elas são
aliviadas depois do enrolamento por um tratamento térmico ameno (SHIGLEY, MISCHKE e
BUDYNAS, 2005).
Convém notar que os materiais para a fabricação das molas devem ser isentos de
imperfeições, devido às altas tensões e a fadiga interna a que esses materiais estão sujeitos,
podendo ser prejudiciais. Pesquisas feitas pela indústria automobilística revelaram que quase
todas as rupturas por fadiga em mola de válvulas de compressão, começaram numa imperfeição
ou defeito interno ou superficial (MARGHITU, 2005).
Estima-se que cerca de 90% dos aços para construção mecânica destina-se à indústria
automobilística e de autopeças. Dentre os aços da construção mecânica citados, os aços de
interesses são os de aplicação em molas de suspensão automotiva, podendo ser, por exemplo,
os aços SAE 5160 e SAE 9254. O aço SAE 5160 é amplamente utilizado na indústria e tem sua
aplicação destacada no setor automotivo na qual é empregado desde em barras estabilizadoras
de veículo até no sistema de suspensão. O aço SAE 9254 é utilizado em molas que necessitem
resistência ao choque e em temperaturas moderadamente elevadas: molas helicoidais, barras de
torção, molas de arco e molas de válvula para motores de combustão interna.
Na Tabela são mostrados os materiais utilizados para a fabricação de molas, onde há
variação da composição e os tipos de aplicações.
26
Tabela 1 - Materiais utilizados para a fabricação de molas
Fonte: Shigley, Mishke e Budynas (2005).
Na tabela acima se observa que para cada tipo aplicação utiliza-se um determinado
material, sendo que a diferença está na variação de sua composição e no seu processamento.
É possível verificar as composições, características, aplicações e propriedades
mecânicas dos dois aços mencionados utilizados para a fabricação de molas em suspensão
automotiva nas tabelas encontradas no Apêndice A.
2.4.2 Materiais compósitos
Atualmente, além das molas comerciais fabricadas de aços molas, já existem estudos
para fabricação de molas com aplicação no sistema de suspensão automotiva de materiais
compósitos. Neste sistema, podem-se adquirir as propriedades desejadas com combinação de
dois materiais, sendo esses fatos explorados na família de híbridos estruturais aos quais se
costumou referir como compósitos particulados e fibrosos. Em princípio, quaisquer dois
materiais podem ser combinados para fazer um compósito e podem ser misturados em muitas
27
geometrias. Além de alta resistência e leveza, materiais compósitos também são capazes de
resistir à influência de solventes e intempéries, tornando-os muito adequados para a aplicação
de molas em ambiente especial (ASHBY, 2012). Isso pode ser observado através de estudos
realizados, onde nota-se que o custo de todo o sistema utilizando molas helicoidais de material
compósito é mais elevado do que sistema convencional, mas por causa de outras vantagens,
pode ser considerável (BUDAN e MANJUNATHA, 2011). E para aplicações do propósito
específico, este sistema é muito eficiente. A mola produzida por material compósito foi
submetida a vários testes e os resultados foram satisfatórios (BUDAN e MANJUNATHA,
2011), onde os pesos das molas helicoidais fabricadas de compósitos foram comparados com o
aço de mola e são 60 % menores, por conseguinte, o sistema com peso leve é alcançado
atingindo 40% da redução do peso, e então, ele ajudará no aumento da eficiência de combustível
dos automóveis. A rigidez obtida por estas molas é comparada com as molas de aço da mesma
dimensões e é 50% menor do que as molas de aço. Contudo pode-se aumentar as dimensões
das fontes para aumentar a rigidez das molas. As dimensões do lado paralelo ao eixo das molas
pode ser aumentada sem afetar a deflexão e as dimensões permitidas para fixação as molas, e
isto irá aumentar a rigidez equivalente a molas de aço (BUDAN e MANJUNATHA, 2011).
Ressaltam-se também estudos realizados pela empresa Henkel e o grupo Sogefi.
A empresa Henkel, fundada em 1876, com sede em Düsseldorf, na Alemanha opera
no mundo com as mais importantes marcas e tecnologias em três áreas de negócios. Está
trabalhando para criar componentes de resina que possam ser incorporados ao sistema de
fabricação de feixes de molas de material compósito (fibra de vidro e a resina poliuretano) com
aplicação na suspensão automotiva e, assim, contribuir para a otimização do processo de
fabricação (FERENCZ e KIEBLING).
A Sogefi, um grupo italiano que foi fundado há 31 anos, é líder mundial na indústria
de autopeças. A companhia é especializada em sistemas de motor e componentes para
suspensão. O Grupo lançou a primeira mola helicoidal do mundo produzida com material
compósito (Polímeros com Fibras Reforçadas) (GILINI JÚNIOR, 2012). Na Figura 11 é
mostrada a imagem de molas helicoidais fabricadas a partir de materiais compósitos pela
Sogefi.
28
Existem algumas vantagens e desvantagens na substituição dos aços atualmente
utilizados para fabricação de molas para materiais compósitos:
Entre as vantagens podem ser citadas:
Redução de peso, o que também reduz o consumo de combustível;
Durabilidade maior: alta resistência a influências externas;
Redução de barulhos em superfícies duras;
Maior segurança, eliminando o risco de quebras inesperadas;
Processo de produção mais ecológico;
Economia de energia: não há tratamento diminuindo as etapas do processo;
Redução dos resíduos;
Economia de espaço;
Reciclável.
Já entre as desvantagens podem ser enumeradas:
Custo alto da matéria prima: 50 a 100 % mais caro;
Custo de processamento alto;
Velocidade de produção de partes aquém do desejado;
Falta de banco de dados sobre as propriedades do material;
Melhorias nas propriedades: falta de ductilidade e tenacidade;
Competição de outros materiais mais atuais;
Competição de componentes com design diferente;
Desenvolvimento de técnicas de processamento para grandes volumes.
Como exemplo de veículo que utiliza molas desse material compósito pode-se citar o
Corvette Z06, fabricado pela Chevrolet, onde é empregado feixe de molas de material
Figura 11 - Mola helicoidal produzida com material compósito
Fonte: Gilini Júnior (2012)
29
compósito. Um único feixe transversal suporta os dois lados da suspensão traseira independente
com braços de controle; o Corvette usa apenas um feixe montado sob a suspensão. O esquema
desta montagem economiza espaço, o feixe em compósito é mais leve, e a chance de uma falha
é baixa. Na Figura 12 é possível observar o esquema desta montagem.
(a)
(b)
Figura 12: (a) CHEVROLET CORVETTE Z06 2015; (b) Feixe de molas de material compósito
utilizada no CORVETTE Z06.
Fonte: Ferencz e Kiebling (2015).
2.5 Causas de falhas
Defeitos físicos devido ao enrolamento muitas vezes podem causar falhas prematuras
por fadiga à mola. Após a formação da mola, um processo de tratamento térmico é realizado
por meio de têmpera. Defeitos relativos ao tratamento térmico são outras das principais causas
de insucesso da mola.
Desta forma, após a têmpera, a mola helicoidal é passada por um processo de
jateamento, que consiste em uma operação de tratamento de superfícies que propulsionam um
fluxo de material abrasivo contra uma superfície em alta velocidade. Esse processo é benéfico
por duas razões: limpa a superfície dos defeitos, causados pelo processamento e pela têmpera e
introduz tensões residuais de compressão na superfície, que aumentam a resistência à fadiga da
mola.
30
2.5.1 Fadiga
No passado, foram utilizados elementos de liga para aumentar a força da mola e
melhorar o limite de fadiga de aço de mola. A resistência à fadiga é largamente influenciada
pela superfície externa devido à descarbonização, defeito de superfície, e por inclusões não
metálicas que representam a existência de um material estranho no interior do aço. Além disso,
há uma relação entre o limite de fadiga e de tamanho do grão austenítico, pois materiais com
granulações grosseiras apresentam propriedades mecânicas inferiores. A cobertura de pré-
tratamento insuficiente não apenas causa a má qualidade do revestimento, mas também agrava
a resistência à corrosão.
Sabe-se que a corrosão também é uma das causas de quebra da mola (MARGHITU,
2005), porém é difícil prever com certeza o efeito de um ambiente corrosivo sobre o
desempenho da mola. Em geral, a corrosão galvânica e a corrosão sob tensão reduzem a vida
e a capacidade de carga de molas. Os dois métodos mais comuns utilizados para combater os
efeitos da corrosão são: a especificação dos materiais que são inertes com o ambiente e o uso
de revestimentos protetores, que são geralmente utilizados no processo final de fabricação de
molas (MARGHITU, 2005).
Em geral, existem dois tipos imperfeições causadas por materiais estranhos que podem
ficar presos no interior da solução de aço: a) grandes imperfeições, tais como inclusões causadas
por elemento de liga, na rede cristalina; e b) imperfeições menores, como a presença do defeito
no vértice da estrutura cristalina. As imperfeições da superfície podem ocorrer com o
endurecimento de pequenas fissuras, marcas de ferramentas, impurezas incorporadas ao
material de base durante a trefilagem a frio, ou defeitos superficiais herdados da matéria-prima.
A descarbonização pode ser considerada como um fator menos agravante em toda a
lista de defeitos. Descarbonização parcial é geralmente permitida em arame de mola, pelo
menos de forma ligeira (CHOI, 2011).
2.6 Seleção de Materiais
A seleção de materiais para um projeto é realizada com base em estudos e pesquisa de
dados relacionados aos materiais, verificando, dessa maneira, qual deles será mais compatível
com os requisitos propostos pelo projeto.
Na Figura 15 é mostrada a estratégia para a seleção de materiais, e assim realizar a
escolha do material final.
31
Figura 13 - Estratégia de seleção de materiais
Fonte: Ashby (2012).
Na Tabela a seguir são observadas as considerações a serem feitas sobre o componente
projetado.
Tabela 2 - Função, restrições, objetivos e variáveis livres, a serem consideradas do componente projetado
Fonte: Ashby (2012).
Os principais fatores que têm relação com a seleção de um material e com o
atendimento às exigências de projeto são:
Disponibilidade;
32
Custo;
Propriedades mecânicas, físicas, químicas e dimensionais do material;
Processos de fabricação - usinabilidade, formabilidade, capacidade de união,
acabamento e revestimento (Fundamentos do projeto).
2.6.1 Considerações econômicas
Existem três fatores que afetam o custo de um produto:
O projeto do componente;
O material empregado; e,
A técnica de fabricação.
2.6.2 Considerações ambientais e sociais
As modernas tecnologias e a fabricação dos produtos que estão associados a elas
causam impactos, sendo esses de natureza econômica e ambiental; e internacionais em termos
de abrangência, uma vez que:
Os recursos exigidos para uma nova tecnologia vêm, com frequência, de muitos
países diferentes,
A prosperidade econômica que resulta de desenvolvimentos tecnológicos é de
âmbito global; e,
Os impactos ambientais podem se estender além das fronteiras de um único país.
Portanto, para o desenvolvimento de um bom projeto, na escolha de um material que
melhor se adéqua, além das suas propriedades, é indispensável que se pense desde a obtenção
da matéria prima até o processo de fabricação do componente, o que estará relacionado aos
custos e impactos ambientais gerados, assim como mostrado na figura a seguir.
33
Figura 14 - Obtenção da matéria prima até processo de fabricação do componente, o que estará
relacionado aos custos e impactos ambientais gerados
Fonte: Callister e Rethwisch (2009, p. 562).
2.7 Considerações do projeto
Neste trabalho o componente de interesse são as molas helicoidais utilizadas no
sistema de suspensão automotiva, e esse sistema de suspensão absorve as tensões, forças e
impactos gerados por buracos e demais avarias das pistas de rodagem, minimizando a
transmissão dos seus efeitos para os passageiros do carro. Então, neste caso, as molas são as
responsáveis por:
Sustentar o peso do carro;
Determinar a altura entre ele e o solo;
É o principal componente por absorver os impactos;
Maximizar o tempo do contato do pneu com o solo.
Na Tabela 3 são ressaltados os requisitos do projeto para a fabricação de molas.
Tabela 3 - Requisitos do projeto para molas
Fonte: Ashby (2012).
34
2.7.1 Fatores que influenciam no projeto
Uma das funções requeridas pela mola é a elasticidade, absorver energia e liberá-la
quando requisitada; portanto, o módulo elástico do material é um dos fatores a serem estudados
para a seleção dos materiais. Esta é uma propriedade intrínseca dos materiais que depende da
composição química, microestrutura e defeitos do material, tendo origem na energia de ligação
entre os átomos no qual descreve a relação entre tensão e deformação no regime elástico. E essa
propriedade divide os materiais em aproximadamente duas classes: os flexíveis e os rígidos.
Um material com um elevado valor do Módulo de Young é um material rígido.
O módulo elástico é uma das propriedades mais estudadas nas molas, pois a constante
elástica é a característica mais importante da mola já que irá influir nas condições de conforto
e estabilidade do veículo, através do sistema de suspensão automotivo.
A escolha a ser feita levará em consideração o material que melhor atenda aos
requisitos propostos na aplicação do componente e como a indústria automobilística é de
produção em massa, a redução de custo torna-se uma característica dominante no ciclo de
desenvolvimento do produto. Em princípio, a indústria automotiva vem priorizando a redução
no peso do automóvel.
Levando em consideração as propriedades mecânicas apresentadas pelo material
utilizado na fabricação de molas de suspensão automotiva; as condições de uso da suspensão
automotiva e os requisitos necessários para aplicação da mola, é preciso fazer algumas
considerações para a escolha do material final que será aplicado nesse projeto que trata da
substituição dos materiais atuais utilizados em molas comerciais. O material final a ser
escolhido no projeto será baseado nas suas propriedades fornecidas e nas considerações que
serão feitas através da aplicabilidade e função do componente, além de considerações do ciclo
de vida do material, do processamento do material, da manufatura dos componentes e das
medidas de desempenho em serviço.
2.7.2 Classificação dos materiais
Os materiais utilizados para fins estruturais podem ser classificados em:
Metais - são condutores extremamente bons de eletricidade e calor, e não são
transparentes à luz visível; uma superfície metálica polida possui uma aparência lustrosa. Além
disso, os metais são muito resistentes, e ainda assim deformáveis, o que é responsável pelo seu
uso extenso em aplicações estruturais;
35
Cerâmicos - estes materiais são tipicamente isolantes à passagem de eletricidade
e calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos do que os metais e
polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, os cerâmicos são duros, porém muito
quebradiços;
Polímeros - possuem tipicamente baixas densidades e podem ser extremamente
flexíveis;
Compósitos - um compósito é projetado para mostrar uma combinação das
melhores características de cada um dos materiais que o compõe;
Semicondutores - as características elétricas destes materiais são extremamente
sensíveis à presença de minúsculas concentrações de átomos de impurezas, que podem ser
controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas;
Biomateriais - esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem
ser compatíveis com os tecidos do corpo;
Materiais avançados - materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia,
são tipicamente materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas, ou então
materiais de alto desempenho recentemente desenvolvidos.
Apesar do progresso que tem sido feito ao longo dos últimos anos, ainda existem
desafios tecnológicos, incluindo o desenvolvimento de materiais ainda mais sofisticados e
especializados, bem como considerações em relação ao impacto ambiental da produção dos
materiais (CALLISTER e RETHWISCH, 2009).
Muitas considerações são feitas na escolha de um material para uma mola, como, por
exemplo, as molas para suspensão de veículos que devem resistir à fadiga e à corrosão, e as
molas para válvulas de motor que devem suportar temperaturas elevadas (ASHBY, 2012).
De forma geral, alguns materiais que desempenham bem os requisitos para molas
normalmente são as ligas leves de magnésio, alumínio e titânio. Grande parte da pesquisa tem
como alvo melhorar suas propriedades mecânicas. Porém, elas não são todas tão leves e nem
tão rígidas, havendo materiais que desempenham melhor essas propriedades, como os
polímeros, que têm densidades muito mais baixas, e as cerâmicas, que são muito mais rígidas.
Em qualquer projeto existem algumas restrições para a seleção do material,
selecionando materiais que melhor cumprem as propriedades e exigências requeridas no
projeto. Essas restrições podem ser representadas como retas horizontais ou verticais em
diagramas de propriedades de materiais. E dentro desses diagramas, pode-se escolher o
36
subconjunto de materiais que cumprem as restrições das propriedades, as que maximizam o
desempenho do componente (ASHBY, 2012).
Esses diagramas que facilitam a visualização e identificação dos materiais para a
escolha em um projeto são construídos a partir da compilação de dados tabelados e apresentados
na literatura na forma gráfica (ASHBY, 2012). Por exemplo, na Figura 15 e na Figura 16 estão
representados os diagramas de Módulo de Young, E, em relação à densidade, o Módulo de
Young, E, em relação ao custo relativo, Cv,R., respectivamente. Essas figuras representam os
diagramas de seleção de materiais com as propriedades mais interessantes para o
desenvolvimento do projeto de molas helicoidais para suspensão automotiva. E através desses
diagramas consegue-se propor a seleção de materiais para essa aplicação.
Figura 15 - Diagrama de Seleção de Materiais, Módulo de Young, E, em relação à Densidade
Fonte: Ashby (2012, p. 123).
37
Figura 16 - Diagrama de Seleção de Materiais, Módulo de Young, E, em relação ao custo relativo, Cv,R
Fonte: Fonte: Ashby (2012, p. 127).
Assim, analisando as propriedades da mola, sabe-se que a energia elástica armazenada
por unidade de volume em um material que suporta uma tensão de tração σ, é dada por σ2/2E.
Se a mola sofrer escoamento, ela sofre deformação permanente e para de cumprir sua função;
portanto, o valor máximo de σ não deve ultrapassar σy (tensão de escoamento), quando a energia
armazenada é σ2y/2E por unidade de volume. Então, o melhor material para uma mola de
volume mínimo é o que tiver o maior valor do resultado obtido com a Eq. (4), sendo M o índice
das propriedades de interesse do material (ASHBY, 2012).
Eq.( 4)
Porém, se o que importa é o peso, e não o volume, logo se divide a Eq. (4) pela
densidade, tornando-a como descrita na Eq. (5):
38
Eq. (5)
O índice de propriedades encontrado que maximize o desempenho para a escolha do
material para molas é o mesmo para todos os tipos de molas, não dependendo de sua geometria,
ou seja, a melhor escolha de material para uma delas é a melhor escolha para todas com o
mesmo valor do índice (ASHBY, 2012).
A escolha de materiais para molas de volume mínimo é mostrada na Figura 17. Uma
família de retas de inclinação liga materiais com valores iguais a M1=σ2y/E, e os que têm os
valores mais altos de M1 encontram-se na direção da parte inferior direita. A linha cheia, que
representa uma das inclinações das retas, está posicionada de modo tal que um subconjunto de
materiais fica em evidência para serem analisados (ASHBY, 2012).
Figura 17 - Materiais para molas. Aço de alta resistência, CFRP, e certos polímeros e elastômeros são a
melhor escolha para as molas
Fonte: Ashby (2012, p. 127).
39
O melhor material para uma mola, independentemente da sua forma ou do modo como
ela é carregada, é a de um material com um grande valor de σ2el/E. A mola elástica não pode
falhar, o que significa tensão abaixo da do escoamento em toda a mola (ASHBY, 2012).
Levando em consideração que os aços utilizados para a fabricação de molas devem
apresentar alto limite de elasticidade, grande resistência e alto limite de fadiga (PROVENZA,
1960), logo os materiais a serem propostos devem apresentar as mesmas características dos
utilizados para a fabricação de molas. E como também se tratam de materiais que precisam ter
baixa densidade e baixo custo relativo, então, as melhores escolhas, baseadas na Figura 17, são:
aços de alta resistência que estejam próximos da extremidade superior da reta, CFRP (usado
para molas de caminhão), ligas de titânio (boas, mas com alto custo), náilon (exemplos são
brinquedos de crianças que têm molas de náilon) e, elastômeros (ASHBY, 2012).
40
3 METODOLOGIA
Para alcançar os objetivos propostos, utilizou-se como recurso metodológico a
pesquisa bibliográfica realizada a partir da análise pormenorizada de materiais já publicados na
literatura, artigos científicos divulgados no meio eletrônico e revistas especializadas da área de
molas de suspensão automotiva.
Para o projeto de um sistema de suspensão, é preciso saber os tipos de esforços a que
os componentes estão sujeitos. No caso deste trabalho, o estudo será focado na mola helicoidal.
Então, considera-se que a curva característica de rigidez da mola é linear e obedece a equação:
Eq. (6)
Sendo,
F= Carga sobre a mola;
k= Constante elástica da mola;
x = Deformação da mola
Porém, a diminuição da altura da suspensão do veículo conforme o aumento do
carregamento do veículo é indesejável. O mais desejável seria a utilização de molas cuja curva
de rigidez não fosse linear. Para isso são avaliados os esforços atuantes no sistema de suspensão,
como mostrado na Figura 18, que representa os esforços que atuam na massa suspensa e não
suspensa do veículo:
Figura 18 - Modelo simplificado de ¼ de um veículo
Fonte: Gillespie (1992, p. 200).
41
Fb= Força atuante na massa suspensa;
M= Massa suspensa (Carroceria completa)
Z= Deslocamento da massa suspensa “M”;
Ks= Rigidez da mola principal da suspensão;
Cs= Coeficiente de amortecimento da suspensão;
m= Massa não suspensa (massa do eixo + massa da roda)
Zu= Deslocamento da massa não suspensa “m”;
Kt= Rigidez do pneu
Zr = Deslocamento do solo;
Fw = Força do pneu.
Dessa maneira, é interessante prever os esforços que chegam às molas e saber as
propriedades necessárias que o componente precisa apresentar. Nas Figuras 19 e 20 são
mostrados os esforços atuantes diretamente na mola. Estas figuras representam um fio cortado
em qualquer ponto, e é observado que o esforço para equilibrá-la é uma força cortante e um
torque, para que não haja movimento linear e nem rotação devida ao deslocamento de meio
diâmetro D entre a força de atuação e a que equilibra no fio.
Figura 19 - Esforço atuantes em uma solicitação de compressão
Fonte: Santos Júnior (2001, p. 3).
42
Figura 20 - Esforços atuantes na mola: (a) Torção pura; (b) Cisalhamento; (c) Torção + Cisalhamento; e
(d) Efeitos de concentração na borda interna
Fonte: Norton (2013, p. 798).
Para o conhecimento dos valores dos esforços atuantes nas molas helicoidais de
suspensão automotiva será considerado o desenho de amostras de molas helicoidais de
compressão que são comercialmente utilizadas concedidas pela empresa RNA Fabrini.
Figura 21 - Molas Helicoidais de compressão utilizadas para aplicação em suspensão automotiva,
fabricadas pela a empresa RNA Fabrini.
Seguem abaixo as informações das dimensões da mola helicoidal de compressão da
empresa RNA Fabrini:
Diâmetro externo: 0,1 m;
Diâmetro do fio: 0,01 m;
43
Altura: 0,3 m;
A carga estimada aplicada na suspensão dianteira ou traseira de um veículo de passeio
é de 840 Kg. Esse valor de carga está de acordo com os fabricantes de veículos de passeio da
Volkswagen.
Dessa forma, serão utilizadas as equações abaixo para o cálculo dos esforços atuantes
na Mola Helicoidal:
Força aplicada na mola:
Eq.(7)
Sendo,
F= Força aplicada na Mola;
m= massa distribuída do veículo;
g= Aceleração da gravidade, sendo g= 9,81m/s.
Tensão em carregamento dinâmico:
Eq. (8)
Fonte: Prawoto; Ikeda et al. (2008)
Sendo,
τ= Tensão em carregamento dinâmico;
F= Força aplicada na Mola;
D= Diâmetro da Mola;
d= Diâmetro do fio da mola;
Kw= Fator de Wahl.
O Fator de Wahl é o estudo do efeito do cisalhamento transversal conjuntamente aos
efeitos da curvatura da mola, levando em consideração a rigidez (solicitação variável), sendo
calculado através da seguinte equação:
44
Eq. (9)
Fonte: Budynas e Nisbett (2011)
O primeiro termo da Eq. (9) corresponde a um “fator de concentração de tensões”,
onde “C” indica o índice de curvatura do fio, e o segundo termo é equivalente ao fator de
correção de cisalhamento.
O índice de curvatura do fio da mola, indicando o quanto o fio deve ser curvado para
formar o diâmetro da mola (relação do diâmetro da mola e do fio), dá-se através da seguinte
relação:
Eq. (10)
Fonte: Budynas e Nisbett (2011)
Sendo,
D= Diâmetro da Mola;
d= Diâmetro do fio da Mola;
A curvatura em uma mola é responsável pelo aumento das tensões originais.
O parâmetro de deflexão da Mola informa alteração ou desvio da posição natural do
componente, ou seja, auxiliando no valor de deslocamento que o componente sofrerá, assim:
Eq. (11)
Fonte: Prawoto et al. (2008)
Sendo,
δ= Deflexão da Mola;
F= Força aplicada na Mola;
D= Diâmetro da mola;
N= Número de espiras ativas na Mola;
d= Diâmetro do fio da Mola;
G= Módulo de cisalhamento do material.
45
Há um modo simplificado para o cálculo da deflexão da mola quando se conhece a
constante elástica da mola:
Eq. (12)
Sendo,
δ= Deflexão da mola;
F= Força aplicada na Mola;
k= Constante elástica da mola.
A Constante Elástica da mola é um valor específico para cada mola, pois depende
principalmente da natureza do material de fabricação da mola e de suas dimensões. Dessa forma
a constante elástica pode ser obtida através:
Eq. (13)
Fonte: Prawoto et al. (2008)
Sendo,
D= Diâmetro da mola;
Na= Número de espiras ativas na Mola;
d= Diâmetro do fio da Mola;
G= Módulo de cisalhamento do material.
O Módulo de Cisalhamento, que é uma propriedade mecânica de cada material, está
relacionada com a força F que atua sobre o corpo que é paralela a uma das faces enquanto a
outra face permanece fixa, ocorrendo a deformação denominada de cisalhamento em que não
tem variação de volume e sim de forma, logo:
Eq. (14)
Sendo,
G= Módulo de cisalhamento do material;
46
E= Módulo elástico do Material;
𝜇= Coeficiente de Poisson.
O Coeficiente de Poisson mede a deformação transversal (em relação à direção
longitudinal de aplicação da carga) de um material, sendo uma propriedade específica de cada
material. Para efeitos dos cálculos de forma hipotética foi adotado o valor do coeficiente de
Poisson igual a 0,25 para materiais isotrópicos e 0,5 para materiais que não tenha nenhuma
variação líquida (LIMA), assim:
Eq. (15)
Sendo,
𝜇= Coeficiente de Poisson;
ɛt= Deformação na direção transversal;
ɛa= Deformação na direção longitudinal.
Além dos esforços que atuarão no componente, é preciso investigar o formato do
desenho da mola, avaliando a quantidade de espiras, formato das extremidades, diâmetro do fio
e da mola, comprimento da mola (Comprimento Livre, Lo), a distância entre as espiras (passo,
p) e o comprimento sólido (quando há uma força atuando no componente ocorrendo o
deslocamento da mola, Ls) como ilustrado na Figura 22, para que seja possível a realização dos
cálculos para o conhecimento das propriedades necessárias do material.
Figura 22 - Mola quando sofre aplicação de carga
47
Há quatro tipos de extremidades que são geralmente utilizados em molas de
compressão, o que dependerá da aplicação da mola e o esforço que estará sujeita. O interesse
em conhecer o formato da extremidade é para identificar qual equação da Tabela 4 que melhor
se adéqua para ser utilizada. Esses tipos de extremidades podem ser observados na Figura 23.
Figura 23 - Tipos de extremidades em molas helicoidais
Fonte: Budynas e Nisbett (2011, p. 529)
Para os cálculos do comprimento sólido, livre, passo e número de espiras, é necessário
saber o formato das extremidades da mola, para a escolha adequada da equação. As equações
para esses cálculos podem ser verificadas na Tabela 4.
Tabela 4 - Equações para cada tipo de extremidade
Fonte: Budynas e Nisbett (2011, p. 529)
Neste trabalho será considerado o formato da extremidade esquadrada ou fechada, pois
é o formato da extremidade da mola utilizada pela empresa RNA Fabrini aplicada em
suspensões automotivas. Sendo assim, serão utilizadas as seguintes equações da tabela
apresentada:
48
Distância entre as espiras sem aplicação de força:
Eq. (16)
Fonte: Budynas e Nisbett (2011)
Número total de espiras na mola:
Eq. (17)
Fonte: Budynas e Nisbett (2011)
Sendo,
N= Número de espiras ativas - N=8;
N= Número total de espiras;
Comprimento livre, comprimento da mola sem aplicação de carga:
Eq. (18)
Fonte: Budynas e Nisbett (2011)
No projeto do comprimento livre de mola é necessário considerar 10% a mais para
evitar o encosto gradual das espiras (BUDYNAS e NISBETT, 2011). Então, para considerar
essa porcentagem é feita a soma do comprimento sólido (Ls) com a deflexão da mola no cálculo
do comprimento livre:
𝐿𝑜 = 𝛿 + 𝐿𝑠 Eq. (19)
E para evitar a flambagem do componente é feita a seguinte relação (BUDYNAS e
NISBETT, 2011):
49
Para cada extremidade o α tem um valor diferente, e esses valores seguem na Tabela :
Tabela 5 - Constante para cada tipo de extremidade
Fonte: Budynas e Nisbett (2011, p. 530)
Nesse caso, o valor a ser considerado é α= 0,5, pois são extremidades esquadradas ou
fechadas.
Assim, para o cálculo do comprimento sólido, que é o comprimento no qual a mola
está sujeita com a aplicação de carga, segue a Eq. (20):
Eq. (20)
Fonte: Budynas e Nisbett (2011)
É preciso conhecer a frequência natural de vibração do sistema, que é a oscilação em
máxima amplitude do sistema em certas frequências, que influenciará no conforto dos
ocupantes do veículo por causa das vibrações que podem ser transmitidas para os passageiros.
Atualmente uma das características principais dos veículos, é o conforto do condutor e dos seus
passageiros, que, infelizmente, pode ser afetado por vibrações indesejáveis. É possível saber
quando o sistema pode vibrar, podendo alguns problemas dinâmicos ser corrigidos ou
diminuídos durante a fase de design ou processos de teste, modificando a estrutura original.
Para isso utiliza-se:
Eq. (21)
Fonte: Freitas Júnior (2006)
E para saber a resistência de escoamento torcional no qual o componente está sujeito,
estima-se grosseiramente que o escoamento torcional pode ser obtido admitindo que a
50
resistência de escoamento de torção esteja entre 60% e 90% da resistência a tração. Assim a
teoria de energia de distorção pode ser empregada para obter a resistência de escoamento
torcional, então:
Eq. (22)
Fonte: Norton (2013)
E também para a escolha eficaz do material é necessário conhecer a sua durabilidade
em tempo de serviço, e essa análise pode ser feita através da vida em fadiga do material. Assim,
é preciso saber a tensão mínima e máxima atuantes no componente, e para isso utilizam-se as
equações seguintes:
Tensão máxima:
𝜏𝑀Á𝑋 =16. 𝑃. 𝑅
𝜋. 𝑑3[4𝐶 − 1
4𝐶 − 4+0,615
𝐶]
Eq. (23)
Fonte: Prawoto et al. (2008)
Tensão mínima:
Eq. (24)
Fonte: Prawoto et al. (2008)
Para se conhecer da durabilidade do material que sofre essas tensões, é realizado o
ensaio de fadiga, que mostra a durabilidade através de ciclos que o componente suporta até a
sua falha. Os resultados destes ensaios são usualmente apresentados na forma gráfica, de
valores da tensão alternante aplicada contra o número de ciclos da vida. Como a vida pode ser
tão curta como 10 ciclos ou tão longa como 109 ciclos, a escala usada é normalmente logarítmica
(ROSA, 2002). Um exemplo dessa forma gráfica é apresentado na Figura 24, no qual se obtém
a curva S-N o nível de tensão suportado por um determinado material para um número
específico de ciclos.
51
Figura 24 - Curva S-N típica do ensaio de fadiga
Fonte: Rosa (2002, p. 258).
A tensão limite de fadiga para carga axial, ou seja, tração e compressão podem ser
estimadas como 85% da tensão limite de fadiga correspondente, ou seja, à flexão rotativa
causada pela carga axial (ROSA, 2002).
52
4. RESULTADOS
O presente capítulo trata da descrição dos dados e discussão dos resultados, coletados
a partir da pesquisa documental e valores obtidos através do emprego das equações
apresentadas.
Levando em consideração que a carga aplicada na suspensão é distribuída entre as duas
rodas, então o valor a ser considerado na força aplicada:
Utilizando as equações já apresentadas na metodologia para a obtenção dos resultados
das forças atuantes no componente e propriedades requeridas pelo material, pode-se então
chegar à conclusão da escolha de um material que melhor apresenta os requisitos exigidos no
projeto. Na Tabela 6 é observada a obtenção dos valores das propriedades calculadas.
Tabela 6 - Propriedade calculadas e valores obtidos
Propriedades Valores
Força aplicada 4120,2 N
Índice de curvatura 10
Fator de Wahl 1,1448
Tensão dinâmica 120,1 Mpa
Tensão torcional 672,560 Mpa
Tensão máxima 120,1Mpa
Tensão mínima 91,3 Mpa
Passo 0,03375m
Comprimento sólido 0,11 m
Comprimento livre 0,3 m
Para evitar flambagem: L0 < 2,63 , logo, 0,3< 0,526
53
Para o cálculo da constante elástica k, que é uma importante propriedade na qual está
relacionada com Módulo de Cisalhamento e Módulo Elástico do material, utilizou-se dois
métodos. O primeiro encontrando o valor da deflexão da mola baseada na quantidade de passos
da mola, e o segundo achando o valor da deflexão através do ângulo de curvatura das espiras
da mola.
4.1 Método I do cálculo da deflexão
Considerou-se o valor do passo da mola através da relação do comprimento livre Eq.
(18), e multiplicou-se o valor encontrado pela quantidade de passos existentes na mola, e o
valor resultante foi considerado como o possível deslocamento (deflexão) que a mola sofrerá
com a aplicação de carga, então:
Eq. (25)
Sendo,
p= 0,0337m
Quantidade de p =7
Logo,
δ= 0,23625 m
E assim, empregando a Eq. (12):
k=17440 N/m
Dessa forma, foi feita a relação da constante elástica com o módulo de cisalhamento,
Eq. (13), e em seguida a relação do módulo de cisalhamento com o módulo elástico Eq. (14),
então:
G= 111,6 GPa
υ=0,25, E= 279 GPa
54
4.2 Método II do cálculo da deflexão
Considerou-se o valor do passo da mola através do ângulo de enrolamento do fio,
sendo o valor máximo do ângulo é 12° (ALMEIDA e ERTHAL) e fazendo uma associação
simples de hipotenusa, então:
Figura 25: ângulo de enrolamento do fio com o valor máximo do ângulo é 12°
Fonte: Almeida e Erthal ( )
Assim,
Eq. (26)
Sendo,
λ=12º
D=0,1m
p=0,0668 m
δ= 0,4676 m
k= 8811,38 N/m
G=56,3928 GPa
υ=0,25, E= 140,98 GPa
Promovendo a otimização dos dois métodos utilizados para o cálculo do módulo
elástico, foi traçada uma curva com a variação da deflexão pelo módulo elástico e verificaram-
se os melhores materiais que se enquadraram neste intervalo.
55
A variação da deflexão proposto foi de 0,2362 m até 0,4676 m, pois foram os dois
valores obtidos pelos dois métodos citados.
Assim, com essa variação foi possível observar os módulos elásticos sugeridos nesta
escala para a escolha do material adequado. Na curva obtida conforme a Figura 26, é
considerado o valor do Coeficiente de Poisson como 0,25, sendo esse valor utilizado de maneira
geral para materiais isotrópicos.
Figura 26 - Curva de Deflexão pelo Módulo elástico, levando em consideração o valor do coeficiente
Poisson de 0,25, para materiais isotrópicos
Analisando a Figura 26, observou-se que os materiais adequados para aplicação neste
projeto, encontra-se entre 140 até 280 GPa dos valores do módulo elástico.
Deste modo, para a escolha de um material no qual tenha uma durabilidade superior
ou igual ao do material atualmente aplicado em molas de suspensão, foi necessário conhecer a
vida em fadiga do aço mola, e para isso foram analisados resultados de trabalhos realizados
ensaiando o aço SAE 9254. Para molas de processo de fabricação a quente, aplicou-se uma
carga máxima de 3720 N e carga mínima de 3500 N. Já para molas de processo de fabricação
a frio, a carga máxima aplicada foi de 3057 N e carga mínima de 2907 N (HATTORI, 2012).
Sendo assim, os valores encontrados seguem nas Tabelas 7 e 8:
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
125 150 175 200 225 250 275 300
Def
lexão
(m
)
Módulo Elástico ( GPa); υ=0,25
56
Tabela 7 - Resultados do ensaio de fadiga de molas processadas a quente
Processo de fabricação das molas a
quente
Números de ciclos Ruptura
Com Jateamento 450.000 Não
Sem Jateamento 147.570 Sim
Fonte: Hattori (2012, p. 82)
Tabela 8 - Resultados do ensaio de fadiga de molas processadas a frio
Processo de fabricação das molas a
frio
Números de ciclos Ruptura
Com Jateamento 1.000.000 Não
Sem Jateamento 195.000 Sim
Fonte: Hattori (2012, p. 82)
Portanto, a partir dos resultados obtidos realizou-se o processo de análise das
considerações necessárias exigidas no projeto, alguns aspectos foram abordados através das
tabelas contidas nos apêndices B, C, D, E, F e G. De modo geral, os resultados se referem à
descrição dos fatos verificados no corpus estudado, e nos valores obtidos através das equações.
Dessa maneira, o material que se apresentou mais adequado para essa aplicabilidade foi o
Compósito de matriz Epóxi e Fibra de carbono longitudinal.
O Compósito de resina epóxi reforçado com fibra de carbono, possui alta rigidez
específica permitindo obter a mesma rigidez do aço com peso de 5 a 15 vezes menor. A tensão
específica também é elevada sendo de 3 a 10 vezes a do aço. Dessa maneira, as peças de
compósitos podem ser mais leves que as comumente feitas de metal e oferecer a mesma
resistência. A resiliência, característica de resistência à fadiga, também é maior, pode atingir
90% da tensão estática em compósitos unidirecionais de carbono/epóxi, contra cerca de 50%
da tensão estática apresentada pelo aço. A possibilidade de direcionamento de fibras e de
moldagem plástica oferece maior flexibilidade de projeto do objeto. Estruturas complexas,
difíceis de fabricar com metais podem ser moldadas diretamente no plástico reforçado
aumentando a confiabilidade e reduzindo o tempo de fabricação. Possibilitando muitas vezes a
redução nos custos finais (PINHEIRO, 2014).
As resinas epóxis tem alta capacidade de adesão/interface com as fibras além de alto
módulo de elasticidade. Transmitem os esforços para as fibras de forma eficiente,
57
proporcionando melhor aproveitamento da resistência mecânica das fibras. A Fibra de Carbono
apresenta a maior rigidez específica de todas as fibras comerciais, alta resistência à tração e
compressão e alta resistência à corrosão, fluência e fadiga (PINHEIRO, 2014).
Contudo, a principal desvantagem da Fibra de Carbono é seu custo elevado de
aquisição. Esta característica tem maior relevância, sobretudo para produtos industrializados,
feitos em série, cujos custos de fabricação são reduzidos pelo ganho de escala e prevalece o
custo de material (PINHEIRO, 2014).
A Tabela 9 mostra um comparativo realizado com as propriedades de maior interesse
apresentadas pelo aço mola (SAE 9254) e o compósito de Fibra de carbono.
Tabela 9 - Comparação entre as propriedades apresentadas pelo Aço Mola (9254) e o Material escolhido
Limite de
escoamento a
tração (Mpa)
Módulo
Elástico
(GPa)
Densidade
(g/cm³)
Custo
relativo
($US/Kg)
Energia no
processo de
fabricação
Aço Mola (SAE 9254) 1720-2240 210 7,85 4 31-34,3
Compósito (Matriz epóxi e
fibras de carbono
longitudinal)
- 200 1,7 49-66 259-286
Através deste resultado, no qual propôs o material, foi possível calcular a frequência
natural apresentada pelo material Compósito utilizando a Eq. (21), e assim deduzir se a vibração
resultante harmoniza-se com a vibração oferecida pelo componente requerido.
Sendo,
E=200 GPa e υ=0,25
Utilizando a Eq. (14),
G= 80 MPa
Logo,
fn=2,4 Hz
A Frequência Natural depende basicamente da distribuição de massa e rigidez do
material, e a literatura sugere para o modelo de ¼ do veículo modos de vibração para a massa
58
suspensa com frequências naturais de 1 a 1,5 Hz para veículos de passeio (GILLESPIE, 1992),
garantindo um maior conforto para os ocupantes do veículo. Pode-se concluir que se deve
proceder ao design dos componentes de suspensões atendendo ao fato de que estes devem
possuir frequências naturais baixas, conseguindo um melhor isolamento de vibrações e conforto
para o condutor. Assim, comparando o valor obtido com o valor literário recomendado, houve
um erro relativo em relação ao valor teórico e experimental, porém devido ao valor resultante
ser baixo pode-se considerar o material como ideal nesta aplicação.
Entretanto, as vantagens dos componentes fabricados por materiais compósitos em
relação ao aço, os quais são apontados para justificar o crescimento da participação dos
polímeros nos automóveis, são: a redução de peso, sua grande resistência à corrosão e a sua
facilidade no processo de reciclagem. Contudo, o custo relativo do material compósito e o seu
consumo de energia no processo de fabricação são maiores, não se adequando com o objetivo
proposto no trabalho, que propõe a redução do custo e a facilidade de fabricação.
59
5. CONCLUSÃO
Atualmente, a indústria automobilística é influenciada de certa maneira, a adotar
processos que envolvam novos materiais para os seus produtos, garantindo as exigências do
consumidor, e sempre inovando no mercado. Novos materiais são essenciais no
desenvolvimento de um automóvel mais eficiente que possa melhorar a redução de peso, e
aumentar sua resistência mecânica e à corrosão.
Entretanto, o material compósito no qual melhor se adequou aos requisitos exigidos
do projeto, o compósito de resina epóxi reforçado com fibra de carbono, não é novidade para o
mercado consumidor e o seu custo benefício para produção em larga escala ainda não é
apropriada para carros de passeios populares, sendo melhor aplicado em carros de alto
desempenho.
Concluiu-se que a eficácia da aplicação de materiais compósitos na fabricação de
molas helicoidais para suspensão automotiva ainda é baixa quando comparada com os aços
molas, pois tem um maior custo em sua produção e não é relativamente fácil de ser fabricada,
apesar do fornecimento de grandes vantagens como: baixo peso e melhores propriedades
mecânicas.
60
6. REFERÊNCIAS
ALMEIDA, Júlio Cezar de; ERTHAL, Jorge Luiz. Elementos de Máquinas I. Curitiba:
Universidade Federal do Paraná.
ASHBY, Michael F. Seleção de materiais no projeto mecânico. Rio de Janeiro: Elsevier,
2012.
BUDAN, D.; MANJUNATHA, T. S. Carbon Fiber Reinforced Composite Coil Springs.
Proc. of Int. Conf. on Advances in Industrial and Production Engineering 2011. Davangere:
AMAE. 2011. p. 21.
BUDYNAS, Richard G.; NISBETT, J. Keith. Elementos de máquinas de Shigley. 8 ed. Porto
Alegre: Bookman Ltda, 2011.
CALLISTER, Willian D.; RETHWISCH, David G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma
Introdução. 8 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.
CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos. 7 ed. São Paulo: ABM, 1996.
CHIU, Chang-Hsuan; HWANB, Chung-Li; TSAIA, Han-Shuin et al. An experimental
investigation into the mechanical behaviors of helical composite springs. Science Direct,
Taichung, 19 set. 2005. 1-10.
CHOI, S Sangwoo. Optimization of microstructure and properties of high strength spring
steel, Master of Science in Materials Science and EngineeringKorea Advanced Institute of
Science and Technology, Koreaborn at Gwangju, Korea, 2011.
COMPORTAMENTO mecânico dos materiais. [S.l.]: [s.n.], Cap. 3, p. 47-86.
DESIGN HANDBOOK- ENGINEERING GUIDE TO SPRING DESIGN. Front Cover.
Associated Spring, Barnes Group, 1987. .
FERENCZ, Andreas; KIEBLING, Ralph. Henkel Brasil. Disponível em: <
www.henkel.com.br> Acesso em: 05 set.2015.
61
FREITAS JÚNIOR, Luís Mauro Pereira. Estudo da dinâmica vertical de uma suspensão
veicular do tipo Macpherson. 2006. 139 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica).
Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo. São Carlos, 2006.
GIlLESPIE, Thomas D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. Society of Automotive
Engineers. p. 237-47, 1992.
GILINI JÚNIOR, Devaldo. Sport cars. Disponível em: <blogs.odiario.com> Acesso em: 05
set.2015.
HATTORI, Carolina Sayuri. Comparação de molas de suspensão temperadas e revenidas
enroladas a quente e a frio. 2012. 98 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais).
Universidade Presbiteriana Mackenzie. São Paulo. 2012.
LIMA, L. Capítulo 3 - Resistência dos Materiais. Pontifícia Universidade Católica. Rio de
Janeiro, p. 9.
MARGHITU, Dan B. Mechanical Springs. In: ______ Kinematic chains and machine
components design. Alabama: Elsevier, 2005. p. 723-54.
MAHDI, E.; HAMOUDA, A. M. S. An experimental investigation into mechanical behavior
of hybrid and nonhybrid composite semi-elliptical springs. Science Direct, Doha, 30 maio
2013. 1-10.
MOLAS HOESCH. Molas. 2012. Disponível em: <www.hoesch.com.br> Acesso em: 03
nov.2015.
MOLAS DE QUALIDADE. Molas de compressão, tração, torção. Disponível em:
<www.mdqmolas.com.br> Acesso em: 09 set.2014.
NAVEIRO, Ricardo Manfredi; GOUVINHAS, Reidson Pereira. Projeto do produto,
competitividade e inovação. In: ROMEIRO FILHO, Eduardo (Coord.). Projeto de produto.
São Paulo: Elsevier, 2011. p. 43-65.
62
NORTON, Robert L. Projeto de máquinas: uma abordagem integrada. 4 ed. São Paulo:
Bookman, 2013.
PINHEIRO, Filipe Martins. Fibra de carbono em equipamentos de laboratório para
aplicações em engenharia naval e oceânica. Rio de Janeiro: UFRJ, 2014.
PRAWOTO, Yunan; IKEDA, M.; MANVILLE, S. K. et al. Design and failure modes of
automotive suspension springs. ScienceDirect, Yokohama, 21 Fevereiro 2008.
PROVENZA, Francesco. Desenhista de máquinas. São Paulo: Editora Provenza, 1960.
ROSA, Edison da. Análise de resistência mecânica. Florianópolis: UFSC, 2002. (Apostila).
SANTOS JÚNIOR, Auteliano Antunes dos. Elementos de máquinas: molas helicoidais e
planas. Campinas: Universidade Estadual de Campinas, 2001. (Apostila).
SHIGLEY, Joseph E.; MISHKE, Charles R.; BUDYNAS, Richard G. Projeto de Engenharia
Mecânica. 7 ed. Porto Alegre: Bookman, 2005.
63
7. ANEXOS
ANEXO A
Tabela A. 1: Composição química dos aços, dando relevância para os aços SAE 9254 e SAE 5160,
utilizados na fabricação de molas de suspensão automotiva.
Tabela A. 2: Composição, propriedades mecânicas, cargas de trabalho e aplicações dos aços, dando
relevância para os aços temperado em óleo, utilizados na fabricação de molas de suspensão automotiva.
Fonte: Vicente Chiaverini
64
Tabela A. 3: Características e aplicações de aços ligados, dando relevância para os aços SAE 9254 e SAE
5160, utilizados na fabricação de molas de suspensão automotiva.
Fonte: www.acovisa.com.br
Tabela A. 4: Composição e propriedades mecânicas dos aços, dando relevância para o aço ASTM 401
utilizado na fabricação de molas de suspensão automotiva.
Fonte: Vicente Chiaverini
65
Tabela A. 5: Composição e propriedades mecânicas dos aços, dando relevância para o aço AISI 9254
utilizado na fabricação de molas de suspensão automotiva.
Fonte: Vicente Chiaverini
Tabela A. 6: : Composição e propriedades mecânicas dos aços, dando relevância para os aços ASTM A
689 e ASTM 401, utilizados na fabricação de molas de suspensão automotiva.
Fonte: www.tecem.com.br
66
ANEXO B: Considerações da densidade dos materiais Tabela B. 1: Densidade dos Materiais
67
ANEXO C: Considerações de propriedades mecânicas do materiais Tabela C. 1: Propriedades mecânicas dos Materiais.
68
69
70
71
ANEXO D: Considerações do custo relativo
Tabela D. 1: Preço relativo dos Materiais.
72
73
74
ANEXO E: Considerações da forma do componente
Tabela E. 1: Forma do componente.
75
ANEXO F: Considerações do processo de fabricação
Tabela F. 1: Processo de fabricação dos Materiais.
76
77
ANEXO G: Considerações de reciclagem
Figura A. 1: Reciclagem dos Materiais.